Ny elektrokatalysator udviklet til iltreduktionsreaktion

Nylig forskning offentliggjort i et papir i NANO af et team af forskere fra Beihang University har fremstillet en ny type VNQD-NG som ikke-ædelmetal-baseret elektrokatalysator til oxygenreduktionsreaktion (ORR). De unikke strukturelle egenskaber ved rigelige VN kvanteprikker med størrelserne 3-6 nm, højt overfladeareal og porer på flere niveauer giver betydelige strukturelle kanter og defekter som aktive steder, maksimering af de eksponerede aktive steder og tilvejebringelse af tilstrækkelige elektrontransportveje til ORR. Dette har betydelige praktiske og kommercielle anvendelser.

Et team af forskere fra Beihang University i Beijing, Kina har demonstreret en ny type billige ikke-ædle metalbaserede katalysatorer som et alternativ til platinbaserede katalysatorer til iltreduktionsreaktion. I deres arbejde, en ny type vanadiumnitrid-kvanteprikker forankret homogent på nitrogendoperet grafen (betegnet VNQD-NG) fremstilles ved en simpel hydrotermisk metode og efterfølgende ammoniakglødningsproces. VNQD-NG udviser høj elektrokatalytisk aktivitet, lang holdbarhed og høj selektivitet for ORR, overlegen i forhold til kommercielt tilgængelig Pt-C. Deres rapport vises i det kommende nummer af tidsskriftet NANO .

Udvikling af egnede elektrokatalysatorer til ORR er vigtig for de praktiske anvendelser af brændselsceller og metal-luftbatterier på grund af den kinetiske træghed af ORR med en kompleks fire-elektron overførselsproces. På trods af den høje effektivitet af platin (Pt) og Pt-baserede legeringer til ORR, deres høje omkostninger sammen med de sjældne reserver i naturen forhindrer stort set den store praktiske anvendelse. Derfor, udvikling af billige ikke-ædle metalbaserede katalysatorer som et alternativ til Pt-baserede katalysatorer er afgørende. Vanadiumnitrit (VN) har ikke kun samme struktur og høje tæthed af tilstande som dem for ovennævnte overgangsmetalnitrider, men viser også god korrosionsbestandighed og høj elektrisk ledningsevne, holder et stort løfte som en aktiv elektrokatalysator for ORR.

Den som forberedte VNQD-NG besidder talrige nul-dimensionelle (0D) VN-kvantepunkter (QD'er) med størrelserne 3? 6 nm forankret homogent på overfladen af ​​nitrogendoperet grafen, giver betydelige strukturelle kanter og defekter som aktive steder for ORR. I øvrigt, VNQD-NG nanoark kan samtidigt konstruere en tredimensionel (3-D) porøs arkitektur for at maksimere de eksponerede aktive steder og give tilstrækkelige elektrontransportveje under ORR. Forskere udførte cykliske voltammogram (CV) målinger i en vandig 0,1 M KOH-opløsning for at undersøge ORR-egenskaberne for VNQD-NG-prøver, afspejler en fremtrædende elektrokatalytisk aktivitet af VNQD-NG til iltreduktion. Kronoamperometriske målinger viser, at der opstår et stærkt strømrespons ved Pt-C-katalysator, når 3 M methanol blev injiceret i iltmættet opløsning, mens VNQD-NG opretholder en stabil strøm uden nogen tydelig respons. Tilsyneladende, VNQD-NG-hybriden udviser en høj selektivitet over for methanol i den alkaliske elektrolyt, tolerance over for crossover-effekter forårsaget af brændstofmolekyler, der trænger gennem polymermembranen. Forskere udførte også målinger af den roterende ringskiveelektrode (RRDE) for at verificere den elektrokemiske ORR-kinetik af VNQD-NG, udviser et ORR-begyndelsespotentiale, der kan sammenlignes med Pt-C-katalysatoren, og højere elektronoverførselstal (n) og kinetisk-begrænsende strømtæthed (Jk) end for kommercielle Pt-C og andre ikke-Pt-katalysatorer. Den aktuelle-tids (i?t) choronoamperometriske respons for VNQD-NG afslører en ret lav dæmpning på 77 % efter 30.000 s, hvilket giver yderligere bevis for, at stabiliteten af ​​VNQD-NG er bedre end den for kommercielle Pt-C (60 %).

VNQD-NG udviser høj elektrokatalytisk aktivitet, høj selektivitet og lang holdbarhed for ORR, bedre end kommercielt tilgængelig Pt-C. Disse resultater kunne give en forlængelse af udviklingen af ​​forskellige andre 3-D porøse metalnitrid-kvantepunkter på grafen til brede anvendelser i sensorer, katalyse, og andre elektroniske enheder.